KR20070114295A

KR20070114295A - 주철 파이프의 원심분리 캐스팅 몰드 보호용 건식-스프레이타입의 제품

Info

Publication number: KR20070114295A
Application number: KR1020077021813A
Authority: KR
Inventors: 또마 마르가리아; 홀랑 씨끌라리
Original assignee: 빼쉬니 엘렉뜨로메딸뤼르지
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2006-03-21
Publication date: 2007-11-30
Also published as: MY147531A; BRPI0609204A2; US7896961B2; WO2006100375A1; CN101142042A; FR2883495A1; FR2883495B1; ZA200706786B; EP1893369A1; US20080115691A1

Abstract

본 발명은 건식 스프레이로 알려져 있는 형태의, 주철 파이프의 원심분리 캐스팅 몰드 보호용 분말 제품에 관한 것으로서, 상기 분말 제품은 통상으로 사용되는 구성성분을 포함하고, 제품의 유동 특성이 그 물리적, 물리화학적 특성에 덜 의존하도록 하며, 제품이 증착되었을 때의 유동 특성을 개선하는 보조제를 더 포함한다. 상기 보조제로는 특히 실리콘오일, 포타슘실리코네이트, 또는 0.1 이하의 밀도를 갖는 마이크로-실리카, 및 모든 비율의 하나 이상의 이들 혼합물이다.

주철 파이프, 원심분리 캐스팅 몰드 보호, 분말 제품, 건식 스프레이, 유동성.

Description

주철 파이프의 원심분리 캐스팅 몰드 보호용 건식-스프레이 타입의 제품{DRY-SPRAY PRODUCTS FOR PROTECTING CENTRIFUGE CASTING MOLDS OF CAST IRON PIPES}

본 발명은 주철 파이프의 원심분리 캐스팅에 사용되는 캐스팅 몰드를 보호하기 위해 사용되는 분말 형태의 제품에 관한 것으로, 사용되는 캐스팅 몰드는 통상 "쉘(shells)"로 지칭된다.

따로 지시하지 않는 한, 화학적 조성과 관련된 모든 값은 중량%이다.

주철 파이프용 원심분리형 캐스팅 쉘을 보호하기 위해 사용되는 코팅물질은 분말형태의 접종물(inoculants) 및 내화물(refractories), 또한 실리카 및 벤토나이트의 혼합물로 구성될 수 있으며, 이들은 수성 현탁액을 스프레이함으로써 코팅된다. 이러한 코팅은 예를 들어 미국특허 제4,058,153호(Pont-A-Mousson)에 개시되어 있으며, 습식-스프레이 코팅으로 알려져 있다. 또한 철이 캐스팅되기 전에 분말을 건조상태로 쉘상에 스프레이할 수도 있으며, 이러한 분말은 건식-스프레이 분말로 지칭된다.

어떠한 기술을 사용하여 코팅하는지에 관계없이, 이들 제품은 여러 목적, 특히 하기의 목적을 위하여 사용된다:

-몰드-방출효과를 얻기 위하여, 즉 고화 후 몰드로부터 파이프를 보다 쉽게 제거하기 위하여;

-열적 장애물 효과를 얻기 위하여, 즉 쉘의 온도 상승을 제한하여 그 수명을 연장하기 위하여;

-안티핀홀 효과를 얻기 위하여, 즉 파이프의 표면에 핀홀이 생성되는 위험을 제한하기 위하여; 및

-파이프의 야금술적 구조를 조절하여, 주철에 가장 좋은 접종효과를 얻기 위하여.

철에서의 불충분한 접종은 카바이드의 형성, 냉각 및 급속한 디몰딩에 따른 상당한 정도의 수축, 고생산성의 제한 등을 초래하는 것으로 알려져 있다. 그래서 수득된 캐스팅을 바로 열처리하는 것이 요구되나, 이는 상당히 값비싸다는 것이 판명되었다.

비록 생산율의 감소를 수반할 수 있지만, 상기 최종적인 열처리를 피하기 위하여 경우에 따라 접종을 더 하거나, 반대로 생산성을 올리기 위하여 접종을 적게 하고 캐스팅에 하부 열처리를 시행하는 것이 바람직할 수 있다.

따라서 건식-스프레이 제품의 접종능은 매우 넓은 범위로 선택될 수 있으며, 반면 다른 요구되는 효과는 보다 일정한 요구조건에 종속된다.

따라서, 건식-스프레이 제품으로 사용되는 제품은 일반적으로 아래와 같은 물질을 포함하는 수개의 구성요소의 혼합물로 구성된다:

-통상 제품의 30 내지 100 중량%을 구성하는 비교적 고효율의 접종물; 예를 들면, 0.1 내지 4 중량% 알루미늄 및 칼슘 및, 경우에 따라 주철에 보충적인 야금학적 효과를 나타낼 수 있는 기타 원소를 포함하는 페로-실리콘 합금(ferro-silicon alloys) 등을 사용할 수 있으며;

- 특히 안티핀홀 효과를 주는 원소 또는 합금 분말; 이들은 통상 원소주기율표 칼럼 2의 환원성 원소 또는 그 합금이며; 및

- 제품의 70 중량% 까지 구성하는 실리카 등과 같은 불활성 광물 충전제.

프랑스 특허 제 2,612,097호(Foseco)는 특히 그 입자가 마찰전기적으로 차지된 Fe-Si-Mg 타입 합금을 처치제로서 사용하는 것을 개시하고 있다.

이들은 통상 철이 캐스팅되기 직전에,

- 하나 이상의 보관 용기;

- 증착될 양과 증착 순간을 한정하는 장치; 및

- 분말을 셀내로 정확히 수송하는 시스템;으로 구성된 수송 시스템에 의하여 쉘내 증착된다.

종래기술의 제품은 몰드의 내부표면에 분포됨에 있어서 어떤 부분에는 과량으로, 반대로 다른 부분에는 분말이 거의 분포되지 않거나 불충분한 량으로 분포되는 등, 몰드의 내부표면에 균일하게 분포되기 어려워 이에 따른 여러가지 결점이 있었다. 이들은 직접적으로 주철에 있어 구조적인 이종성, 및 캐스트 파이프의 표면 결함 또는 파이프내 제품의 함입 등의 문제점을 유발시킨다. 또한 시간이 흐름 에 따라 제품이 보호해야할 몰드의 내부 표면이 불균일하게 마모되는 결과를 낳게 되어, 주철 파이프의 표면에 충격을 주는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 몰드의 내부 표면에 건식 스프레이 되어 주철 파이프의 원심분리 캐스팅 몰드를 보호하는 분말 제품으로서, 접종 금속 합금 또는 접종 금속 합금의 혼합물; 경우에 따라 안티핀홀 효과를 갖는 환원성 원소 또는 합금 분말; 및 경우에 따라 불활성 광물성 충전제를 포함하고, 상기 분말 제품의 유동성을 개선하는 첨가제를 하나 이상 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 주철 파이프의 원심분리 캐스팅 몰드 보호용 분말 제품을 제공하는 것이다.

바람직하게는 상기 유동성은, 입자 크기 분포가 300㎛ 이하 99 내지 100 중량% 및 63㎛ 이하 10 내지 35 중량%인 제품에 대하여 상기 제품 50g이 구멍(hall)의 직경이 4mm, 정상각(apex angle)이 60도인 깔대기를 통과하는 유동 시간이 17초 내지 27초가 되는 정도이다.

다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 유동 시간은 첨가제 없는 동일 제품이 상기 직경 4mm의 구멍을 통과하는 경우 그 유동 시간에 비하여 5 내지 10초 감소되고, 상기 첨가제 없는 동일 제품이 상기 구멍을 통과하지 않는 경우 유동시간이 20 내지 27초가 되는 정도이다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 첨가제는 실리콘 오일이고, 다른 실시예에 의하면 포타슘실리코네이트이며, 또 다른 실시예에 따르면 0.1 이하의 밀도를 갖는 마이트로실리카이다.

상기 첨가제는 하나 이상의 상기 언급한 첨가제들을 어떠한 비율로 혼합한 혼합물일 수 있다.

마지막으로, 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제품내 첨가제의 중량비는 0.02 내지 0.2%이다.

연속 원심분리 캐스팅에 의하여 주철 파이프를 제조하는데 건식-스프레이 제품으로서 사용되던 종래 제품은 여러 가지 문제점이 있다. 특히 혼합물에 첨가된 불활성 광물성 충전제는 몰드의 파울링(fouling) 및 철내 불활성 광물 함입을 형성할 위험을 증가시키며, 이는 파이프 표면 결함을 발생시킨다.

분말의 유동성은 양호한 수송능 및 쉘의 내부 임프레션에의 분포 균일성 모두를 만족시킬 수 있는 적정한 타협점에서 결정되어야 하며, 일단 분말이 상기 임프레션에 증착된 이후에는, 특히 철이 쉘내로 부어질 때의 액상 철 앞에서 유동되지 않아야 한다. 이러한 목적으로 쉘은 햄머로 성형되어 일련의 컵들을 갖는 표면을 가지며, 상기 컵들의 존재 목적 중 하나는 분말이 액상 철에 의해 흡수되지 않도록 분말을 보유하는 것이다. 그러나 분말의 유동성이 너무 높은 경우에는 이러한 예방책도 불충분하다.

또한 상기 분말을 조작하고, 측정하며 수송하는 시스템의 특성은 사용자마다 다 다르며, 따라서 실제 실행시에는 분말과 장비의 특성이 서로 적정화되지 못한 경우가 많다.

또한 상기 분말의 입자 크기 분포는 상기 전술한 목적을 완수할 수 있도록 쉘내 액상 철과 상호 작용하는 동안 요구되는 거동을 가질 수 있도록 결정된다.

결과적으로 "이노튜브(inotube)" 또는 "이노파이프(inopipe)"로도 지칭되는 상기 분말은 미세하며, 따라서:

- 이들은 그 보관조건에 매우 민감하며, 보관 조건은 그 유동성을 절대적으로 변경시킬 수 있으며 또한 최종-사용 동안 유동성의 균일성을 변경시킬 수 있다; 및

- 제조 조건(수분, 물질의 부서지기 쉬운 성질 등)의 미세한 변화도 또한 이들의 유동성에 있어서 전체적인 변경 및/또는 이종성을 초래할 수 있다.

이러한 유동성의 변동은

- 전술한 쉘 표면의 햄머링에 의해 형성된 컵들은 증착된 코팅을 보유할 수 있는 능력이 다소 다르기 때문에, 코팅에 불규칙성을 나타낼 수 있다. 이러한 결함은 특히 제품이 통상 6% 정도로 기울어 있는 쉘의 바닥내로 미끌어져 들어가 버리게 할 수 있다; 및

- 유동성의 변동은 또한 분말의 수송 시스템에 영향을 미쳐 사용에 있어서 여러가지 문제(블로킹(bocking), 플로깅(plugging) 등) 및 제품의 쉘상의 증착에 있어서 불규칙성을 수반할 수 있고, 또한 이에 수반하여 효과에서의 불규칙성을 일으킬 수 있다.

이러한 효과의 불규칙성은 최종 주철 제품에서 다양한 형태의 결함을 초래할 수 있는데, 예컨대 국재화된 핀홀, 파이프 두께에서 지나치게 높은 카바이드 함량 등을 들 수 있다. 예를 들면 제품이 쉘의 어떤 영역에 존재하지 않는 경우, 카바이드의 표면 존재와 함께 부분적인 접종 불충분을 일으킬 수 있으며, 결과적으로 쉘의 마손 및 마모를 초래할 수 있다. 역으로 제품이 너무 많으면 철에 의해 충분히 용해되지 않아 결과적으로 파이프의 표면 결함을 일으키며, 이 결함은 스크래핑(scrapping)되어야 한다.

따라서, 본 출원인은 상기 결점을 감소시키기 위하여 분말이 쉘 내 증착된 후의 부정적인 효과를 피하면서, 즉 철을 쉘에 부었을 때는 낮은 유동성을 갖도록 보증하면서, 증착 및 이에 선행하는 과정은 원활하게 할 수 있도록 분말의 유동성을 개선하는 방법을 연구하였다.

그 결과 분말의 저온 유동성을 개선시킬 수 있는, 즉 증착되는 시점까지의 유동성을 개선시킬 수 있는 첨가제를 얻을 수 있었다. 또한 이러한 첨가제를 적절히 선택함으로써, 통상 250 내지 300℃ 정도인 뜨거운 쉘상에 분말이 증착된 즉시 뜨거운 쉘과의 접촉으로 인해 분말의 온도가 올라갔을 때는 그 유동성의 상승을 무효화시킬 수 있다.

이러한 첨가제는 하기 실시예을 통하여 그 효과를 개시하는 바와 같이 포타슘실리코네이트 및 유동성에 대한 효과에 있어, 포타슘실리코네이트와 유사한 거동을 갖는 다른 첨가제, 예를 들면 실리콘오일, 통상 0.1 이하의 밀도("화합물"등급의 마이크로실리카에 대한 통상 밀도)를 갖는 마이크로실리카 또는 이들 제품의 모든 비율로의 혼합물을 포함한다. 하기 실시예들에서는 0.06% 첨가제를 사용하였으나, 산업적 조건하에서는 통상 0.02 내지 0.2%로 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 분말 입자의 입자 크기는 580㎛ 이하이며, 바람직하게는 250㎛이하이다.

"이노튜브"용 분말의 유동특성은 특히 유동 시간(flow time), 즉 표준화된 깔대기를 주어진 양의 분말이 통과하는 데 소요되는 시간, 로딩 하 전단 성질(shear-under-load properties)의 측정을 포함하는 다양한 테스트로 측정되며, 특히 "제니크 테스트(Jenike test)"로 알려져 있는 방법을 사용하여 로딩하 유동 시간(flow time under load)을 측정하였으며, 이는 최대 로딩하에서 주어진 제품이 주어진 직경의 구멍을 유동하여 통과하는 것을 측정하는 것으로 구성된다.

하기 실시예에서, 유동특성은 60도의 정상각을 갖도록 벽면이 형성된 깔대기의 4mm 직경의 구멍을 통해 50g의 분말이 통과하는데 소요되는 유동시간으로 측정하였다.

모든 경우에서, 입자 크기 분포는 300㎛ 이하가 99 내지 100 중량%이었다.

이렇게 얻어진 유동값의 순위(hierarchy)는 전술한 바와 같은 로딩하 유동 형태의 테스트가 사용되었다면 동일하다.

통상적으로 상기 첨가제는 그 입자 크기 분포가 63㎛ 이하가 10 내지 35 중량%인 "이노튜브"의 유동 시간이 17초 내지 27초가 되게 할 수 있다.

실시예 1

하기 조성성분으로부터 분말 혼합물을 제조하였다:

- 65.5% Si, 1.3% Ca, 및 0.95% Al을 함유하며 입자 크기가 300㎛ 이하인, 페로-실리콘(ferro-silicon) 분말 76%;

- 입자 크기가 150㎛ 이하인, 플루로스파(fluorspar) 분말 4%;

- 30.3% Ca을 함유하고, 입자 크기가 300㎛ 이하인, "CaSi" 분말로 공지된 칼슘-실리콘 합금 분말 20%.

입자 크기 분포 측정결과, 상기 분말 혼합물은 63㎛ 이하가 23%이었다. 유동 시간은 28초이었다.

이 제품을 대조 시험으로서 "건식-스프레이"형태로 사용하였을 때 만족스러운 결과를 얻었다: 파이프는 실질적으로 핀홀이 없었다-극소수의 핀홀이 존재하였으나 얕았고, 기준을 만족하였다; 카바이드 함량은 8%였으며; 및 파이프의 외부 표면상 35㎛ 두께의 이온 철(ferritic iron)이 존재하였다.

실시예 2

실시예 1의 제품을 "빅 백(big bags)"으로 알려져 있는 천으로 된 보자기에 넣고, 2개월간 보관소에 보관하였다.

보관 후:

- 입자 크기 분포 측정시 여전히 63㎛ 이하가 23%이었다;

- 상기 제품은 직경 4mm의 구멍을 통과하지 못하였다.

이 제품을 건식-스프레이 제품으로 사용한 결과 매우 열악한 결과를 나타내었다: 상기 파이프는 많은 영역에서 핀홀이 나타났으며, 스크랩율(scrap rate)도 실시예 1보다 상당히 컸다. 카바이드 함량은 평균 12%이었으며, 실시예 1에서보다 더 큰 분산을 나타내었다. 결과적으로 카바이드를 흡수하기 위한 후속 어닐링의 지속기간을 연장하여야만 하였다. 파이프의 표면에는 이온 철이 검출되지 않았다.

실시예 3

실시예 1과 동일한 분말 혼합물을 준비하되, 균일하게 혼합하는 과정 중에 40% 포타슘실리코네이트 수용액 0.06%를 첨가하였다.

입자 크기 분포 측정결과, 상기 분말 혼합물은 63㎛ 이하가 23%이었다. 유동 시간은 21초이었다.

이 제품을 건식-스프레이 제품으로 사용한 결과 매우 양호한 결과를 얻었다: 파이프에서는 핀홀이 전혀 없었으며; 카바이드 함량은 8%였으며; 및 파이프의 외부 표면상에는 35㎛ 두께의 이온 철이 존재하였다.

실시예 4

실시예 3의 제품을 빅 백에 넣어 2개월간 보관소에 보관하였다.

보관 후:

- 입자 크기 분포 측정시 여전히 63㎛ 이하가 23%이었다;

- 유동 시간은 27초이었다.

이 제품을 건식-스프레이 제품으로 사용하였을 때 만족스러운 결과를 얻었다: 파이프에는 실질적으로 핀홀이 없었다-극소수의 핀홀이 존재하였으나 얕았고, 기준을 만족하였다; 카바이드 함량은 10%였으며; 및 파이프의 외부 표면상 35㎛ 두께의 이온 철이 존재하였다.

실시예 5

하기 조성성분으로부터 분말 혼합물을 제조하였다:

- 입자 크기가 150㎛ 이하인, 플루로스파(fluorspar) 분말 4%;

- 30.3% Ca을 함유하고, 입자 크기가 200㎛ 이하인, "CaSi" 분말로 공지된 칼슘-실리콘 합금 분말 20%.

입자 크기 분포 측정결과, 상기 분말 혼합물은 63㎛ 이하가 31%이었다. 유동 시간은 35초이었다.

이 제품을 건식-스프레이 제품으로 사용하였을 때 다소 불만족스러운 결과를 나타내었다: 파이프에는 핀홀이 존재하였으며, 몇 경우에는 기준을 만족하지 않았다; 카바이드 함량은 12%였으며; 및 파이프의 외부 표면상 15㎛ 두께의 이온 철이 존재하였다.

실시예 6

실시예 5와 동일한 분말 혼합물을 준비하되, 균일하게 혼합하는 과정 중에 40% 포타슘실리코네이트 수용액 0.06%를 첨가하였다.

입자 크기 분포 측정결과, 상기 분말 혼합물은 63㎛ 이하가 31%이었다. 유동 시간은 25초이었다.

이 제품을 건식-스프레이 제품으로 사용한 결과 만족스러운 결과를 나타내었다: 파이프에는 실질적으로 핀홀이 없었으며-극소수의 핀홀이 존재하였으나 얕았고, 기준을 만족하였다; 카바이드 함량은 8%였고; 및 파이프의 외부 표면상에는 35㎛ 두께의 이온 철이 존재하였다.

이상으로부터, 첨가제에 의하여 각 혼합물은 첨가제가 없는 경우에 비하여 4 mm 직경의 구멍을 통과하는데 걸리는 유동 시간이 각각 7초 및 10초가 감소되고(실시예 3 및 6을 각각 실시예 1과 5와 비교), 첨가제가 없는 경우 구멍을 통과할 수 없었던 혼합물도 첨가제 첨가시 그 유동 시간이 27초로 됨을(실시예 4를 실시예 2와 비교) 확인할 수 있다.

보다 일반적으로, 이 유동 시간은 첨가제가 없는 혼합물이 4mm 직경의 구멍을 통과하는 경우에는 5 내지 10초가 감소하고, 첨가제가 없는 혼합물이 상기 구멍을 통과하지 못하는 경우에는 20 내지 27초이라고 할 수 있다.

또한, 상기 첨가제는 제품의 유동특성이 그 물리적 또는 물리화학적 특성에 크게 의존하지 않게 하는데, 이는 특히 실시예 3 및 4의 "이노튜브"의 보관 전 및 보관 후의 각 유동 시간을 비교함으로써 확인할 수 있으며, 반면 제품에 첨가제가 없는 경우(실시예 1 및 2)에는 이들에 매우 민감한 것을 확인할 수 있다.

Claims

몰드의 내부 표면에 건식 스프레이되어 주철 파이프의 원심분리 캐스팅 몰드를 보호하는 분말 제품으로서, 접종 금속 합금 또는 접종 금속 합금의 혼합물; 경우에 따라 안티핀홀 효과를 갖는 환원성 원소 또는 합금 분말; 및 경우에 따라 불활성 광물 충전제;를 포함하고, 상기 분말 제품의 유동성을 개선하기 위한 하나 이상의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 주철 파이프의 원심분리 캐스팅 몰드 보호용 분말 제품.
제1항에 있어서, 상기 첨가제는 제품의 유동성이, 상기 제품의 입자 크기 분포가 300㎛ 이하 99 내지 100 중량% 및 63㎛ 이하가 10 내지 35 중량%인 제품 50g이 구멍 직경 4mm, 정상각이 60도인 깔대기를 통과하는 유동 시간이 17초 내지 27초가 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 주철 파이프의 원심분리 캐스팅 몰드 보호용 분말 제품.
제2항에 있어서, 상기 첨가제는 제품의 유동성이, 첨가제 없는 동일 제품이 상기 직경 4mm의 구멍을 통과하는 경우에는 그 유동 시간에 비하여 5 내지 10초 감소되고, 첨가제 없는 동일 제품이 상기 구멍을 통과하지 않는 경우에는 그 유동 시간이 20 내지 27초가 되는 정도로 선택되는 것을 특징으로 하는, 주철 파이프의 원심분리 캐스팅 몰드 보호용 분말 제품.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 첨가제는 실리콘 오일인 것을 특징으로 하는, 주철 파이프의 원심분리 캐스팅 몰드 보호용 분말 제품.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 첨가제는 포타슘실리코네이트인 것을 특징으로 하는, 주철 파이프의 원심분리 캐스팅 몰드 보호용 분말 제품.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 첨가제는 0.1 이하의 밀도를 갖는 마이크로실리카인 것을 특징으로 하는, 주철 파이프의 원심분리 캐스팅 몰드 보호용 분말 제품.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 첨가제는 모든 비율의 실리콘오일, 포타슘실리코네이트 및/또는 0.1 이하의 밀도를 갖는 마이크로실리카의 혼합물인 것을 특징으로 하는, 주철 파이프의 원심분리 캐스팅 몰드 보호용 분말 제품.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제품내 첨가제의 중량비는 0.02 내지 0.2%인 것을 특징으로 하는, 주철 파이프의 원심분리 캐스팅 몰드 보호용 분말 제품.